Водопроницаемость глинистого экрана верхнего водоема Днестровской ГАЭС
Особенности полевых опытно-фильтрационных исследований водопроницаемости глинистого экрана верхнего водоема Днестровской ГАЭС.

Кандидат техн. наук Борткевич С.В. и инженеры Аверьянов В.Н., Воронин С.Г.
В практике определения водопроницаемости глинистых грунтов при строительстве гидротехнических сооружений используют различные полевые методы исследований, в частности, наливы воды в шурфы и скважины, основанные на положении об установившейся фильтрации. Наиболее широкое применение получили способы налива в шурфы по методикам Нестерова, Болдырева, Каменского и их модификациям, а также наливы в скважины по методикам Н. Н. Веригина, В. М. Шестакова, Н. Н. Биндемана и др. В соответствии с требованиями нормативных документов оценку водопроницаемости земляных сооружений 1 и 2 класса капитальности производят на опытных насыпях или участках и в целиках, моделирующих будущее земляное сооружение. При строительстве противофильтрационного глинистого экрана верхнего водоема Днестровской ГАЭС для оценки его водопроницаемости был выполнен комплекс полевых фильтрационных исследований различными методами, который позволил оценить действительные значения коэффициента фильтрации глинистых грунтов в теле экрана и выявить наиболее применимые методы фильтрационных исследований в полевых условиях.

1. Исследование водопроницаемости экрана методом нагружения опытной насыпью с замером порового давления воды в теле экрана.

Перед началом возведения глинистого экрана верхнего водоема коэффициент фильтрации грунтов, из которых предусматривалось его строительство, изучали в полевых условиях на опытном фрагменте методом нагружения насыпью и замера порового давления воды в теле экрана. С этой целью в известном устройстве для определения водопроницаемости и 2 фильтрационной прочности грунта, послойно возводимых насыпей (авторское свидетельство СССР №1656041) пьезометры, предназначенные для замера уровней воды, фильтрующийся через тело экрана, были заменены на дистанционные струнные преобразователи давления воды в порах грунта (пьезодинамометры). Конструкция опытного фрагмента экрана показана на рис.1.

Рис. 1. Конструкция опытного фрагмента. 1-грунтовая насыпь; 2-труба для подачи воды; 3-слой жирной мятой глины; 4-фильтрующий лоток; 5-пригрузка из глины слоем 1,0 м; 6-опытный экран толщиной 1,4 м; 7-водоприемник; 8-водоотводная труба; 9- песчаный дренаж слоем 1,5 м; 10-пункт замера расходов; 11-коммутатор; ПМГ-3 — поверхностная марка грунтовая; ГМ-2 — глубинная марка.
Опытный фрагмент состоял из двух участков [3], на каждом из которых испытывался один вид глины: на участке 1 — сарматская глина N1S2, на участке 2 — глина и суглинок делювиального генезиса dQIII.
В ходе производственного эксперимента на опытном фрагменте исследовались условия фильтрации через глинистый экран дна водоѐма с учѐтом всех сопровождающих этот процесс осложняющих обстоятельств, в том числе при реальной технологии укладки и уплотнения карьерного грунта, с учѐтом процессов консолидации, деформации и набухания грунта. Пьезометрические напоры и поровое давление в грунтах измерялись с помощью дистанционных струнных преобразователей давления ПДС-3П и температуры ПТС-60, заложенных в каждом слое экрана при его возведении непосредственно под фильтрующим лотком и в стороне от него в области установки глубинных марок. Измерительный элемент – частотомер ПЦП-1.
Точность измерений ± 2 %. Осадку грунта измеряли путѐм нивелирования 4-х глубинных марок, каждая из которых представляла собой железобетонную плиту размером 1,2×1,2×0,5 м с закреплѐнной на ней вертикальной штангой, находящейся в защитной трубе. Осадка глубинных марок измерялась путѐм нивелирования по II классу точности. При этом в каждом цикле измерения производился нивелирный ход от реперов I класса, расположенных в районе водоприѐмника. Точность измерения осадки составила ± 5 мм. Напоры в фильтрационных установках создавали путѐм заливки воды в вертикальные трубы. Измерения показали, что в течение года расход фильтрации из отводящих труб отсутствовал. Измерения приборами ПДС-3П показали, что напоров, характерных для процесса фильтрации в грунте экрана также не возникали. В грунте зафиксировано поровое давление консолидации, имеющее связь с массой грунта выше уложенной насыпи. Причѐм величины порового давления в сарматской глине и делювиальной глине несколько различались:

В связи с отсутствием расходов воды из отводящих труб на опытном фрагменте, значение коэффициента фильтрации глинистых грунтов в экране оценивалось по величине и скорости рассеивания порового давления, которое измерялось приборами ПДС-3П. При расчетах порового давления была использована методика Л. В. Горелика, рекомендуемая СНиП 2.06.05-84 [9], в модификации И. С. Клейна. При интерпретации материалов натурных наблюдений расчетными методами получено, что значение коэффициента фильтрации грунтов экрана на опытном фрагменте изменяется в пределах от 1х10-7 см/с до 1х10-9 см/с (1х10-4-6 м/сут) при среднем значении 1х10-8 см/с (1х10-5 м/сут).

Характер изменения температуры во времени по приборам, установленным в зоне инфильтрационных водоѐмов, также указывает на то, что фильтрация воды в глинах экрана не происходила, а имеющиеся изменения температуры можно назвать фоновыми по всему массиву дамбы. Величина осадки колебалась от 33 до 110 мм, что составило 2 ÷ 7% от толщины исследуемого слоя грунта экрана, равного 1,5 м. Следует отметить, что такой диапазон осадки обусловлен процессом возведения насыпи.

В ходе исследования уплотняемости получены результаты, свидетельствующие о том, что у глинистых грунтов, уложенных в опытный фрагмент экрана, в силу изменчивости их природного состава, плотность варьирует в довольно широких пределах.

Так на первом участке фрагмента, плотность сухого грунта изменялась от 1,53 т/м3 до 1,80 т/м3, а влажность от 0,198 до 0,262 д.ед., пределы пластичности :WL=0,308÷0,480 д.ед.; WP= 0,19÷0,218 д.ед.. На втором участке плотность сухого грунта изменялась от 1,50 т/м3 до 1,72 т/м3, а влажность от 0,172 до 0,284, пределы пластичности :WL=0,439÷0,498; Wp= 0,193÷0,240. Все пробы, отобранные на плотность-влажность, попали в область требуемых параметров, что характеризует хорошее качество укладки грунтов в тело экрана опытного фрагмента.

Результаты лабораторного определения коэффициента фильтрации образцов ненарушенной структуры неогеновых и четвертичных глин, отобранных из экрана опытного фрагмента, показали, что их водопроницаемость характеризуется величиной коэффициента фильтрации в пределах от 2×10-8 см/с до 4×10-10 см/с (2÷4)×10-5-7 м/сут. По результатам исследований водопроницаемости проб, приготовленных в лабораторных условиях, получены показатели коэффициента фильтрации в пределах (0,14÷5,0)×10-10 см/с или (0,2÷4,0)×10-7 м/сут. Эти результаты иллюстрируют, что пробы, попавшие в область требуемых параметров укладки, обеспечивают требуемый проектом коэффициент фильтрации, равный 1×10-5 м/сут.

Следует отметить, что приведенная методика сложна в исполнении и несет в себе некоторую условность расчетов величины коэффициента фильтрации грунта. Кроме этого такой эксперимент требует длительного времени проведения, потребности в наличии контрольно-измерительной аппаратуры и использовании строительных механизмов, а также трудоемок и по окончании, необходимость ликвидации насыпи.

2. Исследование водопроницаемости экрана методом создания напорной фильтрации в целиках.

Определение водопроницаемости экрана выполнялось методом напорной фильтрации, разработанным во ВНИИГ им. Б. Е. Веденеева [7, 10]. Метод заключается в создании осесимметричного вертикально направленного нисходящего фильтрационного потока, распространяющее-гося в грунте ненарушенной структуры — целике, с помощью установки (рис. 2), конструкция которой предложена М. П. Павчичем. Целик образуется путем отрывки кольцевой траншеи на выбранном для исследований участке экрана. Целик (столб грунта в центре кольцевой траншеи) заключается в прибор, под крышкой которого создается фильтрационный напор. Метод отличается возможностью создания фильтрационных нагрузок на грунт, близких к натурным.
Кольцевая траншея отрывалась вручную и имела наружный диаметр 2,5 м, внутренний — 1 м. После проходки траншеи на глубину 1,5 м стенки траншеи и целика зачищались. Боковая поверхность целика выравнивалась по шаблону, который представлял собой металлическое кольцо диаметром 0,9 м, таким образом, чтобы шаблон можно было надеть на целик по всей его высоте и при этом зазоры между поверхностью грунта и шаблоном были минимальными.


Рис. 2. Схема полевой фильтрационной установки. 1 — грунт тела экрана; 2 — кольцевая траншея, заполненная водой; 3 — целик; 4 — бетон; 5 — корпус прибора; 6 — крышка; 7 — переливной бачек: 8 — вентили; 9 — манометр; 10- указатель уровня воды в приборе; 11 — пьезометрическая шахта; 12 – пьезометры.

Прибор, внутрь которого заключался целик, представлял собой металлический цилиндр, набираемый из четырех колец, внутренним диаметром 1 м и высотой 0,5 м. Цилиндр своей нижней кромкой устанавливался на дно кольцевой траншеи и сверху закрывался крышкой. При монтаже корпуса прибора кольца устанавливались таким образом, чтобы между корпусом и поверхностью грунта оставался равномерный зазор около 5 см, который в последующем заливался бетоном для исключения контакт-ной фильтрации вдоль стенок прибора.
В боковой поверхности корпуса прибора имелись втулки, через которые в грунт вводились оголовки пьезометров для измерения фильтрационных напоров на разных отметках по высоте. Всего было установлено 12 пьезометров в двух створах, развернутых друг относительно друга на 90° (по 6 пьезометров в створе). Пьезометры подключались к пье-зометрическому щиту, установленному в герметичной шахте, расположенной рядом с прибором в кольцевой траншее. В зависимости от фильтрационного напора показания снимались по стеклянным трубкам пьезометрического щита или по образцовым манометрам класса 0,4 с пределами измерения 0 ÷ 1 кгс/см2.
Кольцевая траншея заполнялась водой до отметки, которая составляла 1,45 м от дна траншеи. Водонасыщение грунта в приборе осуществлялось через основание траншеи. Для ускорения этого процесса под крышкой прибора создавался вакуум – 0,05 МПа (– 5 м вод. ст.). Время от времени вакуум под крышкой прибора стравливался, и проверялось наличие воды в пьезометрах. По окончании обводнения грунта в установке верхнее кольцо на половину высоты было наполнено водой. Вода подавалась через переливной бачок, установленный на крышке прибора. Бачок сообщался с полостью под крышкой прибора и с атмосферой посредством двух вентилей. Такая конструкция давала возможность пополнения объема воды в приборе без снятия давления под крышкой. Для этого верхний вентиль открывался, бачок наполнялся водой. Затем, верхний вентиль перекрывался, а нижний открывался. Давление в бачке уравнивалось с давлением под крышкой прибора и вода сливалась в прибор. После чего нижний вентиль вновь перекрывался. Напор в приборе создавался сжатым воздухом, подаваемым из баллона через редуктор низкого давления. Редуктор обеспечивал поддержание давления в приборе на заданном уровне. Контроль действующего давления осуществлялся с помощью образцового манометра, расположенного на крышке прибора. Вода под давлением нагнеталась в грунт через фильтр из песчано-гравийной смеси, отсыпанной на поверхность грунта экрана слоем 50 мм. Расход профильтровавшейся воды подсчитывался по показаниям указателя уровня воды в приборе.

Исследование водопроницаемости экрана проводилось после водонасыщения грунта, которое контролировалось по пьезометрам, установленным в двух створах, по 6 шт. расположенных под углом 90° друг относительно друга с шагом 250 мм по высоте прибора. Водопроницаемость грунтов экрана определялась при средних давлениях на поверхности грунта равных 5 м и 10 м водяного столба. Из-за инерционности работы регулятора давления системы подачи сжатого воздуха в прибор, давление в нем менялось относительно среднего значения на ± 0,4 м вод. ст. для напора 5 м вод. ст. и на ±0,7 м вод. ст. для напора 10 м вод. ст. Давление 5 м вод. ст. поддерживалось в течение 448 часов до установления пьезометрических напоров и расходов фильтрации. После чего давление было поднято до 10 м вод. ст. Это давление поддерживалось в течение еще 335 часов. Затем было проведено 10 циклов, имитирующих процесс наполнения и сработки верхнего водоема — подъем давления до 10 м вод. ст. и снижение его до 0,2 м вод. ст. В конце опыта вновь было установлено давление 5 м вод. ст., которое поддерживалось в течении 48 часов.

Пьезометрические напоры отсчитывались от дна кольцевой траншеи. Распределение пьезометрического напора, как по глубине, так и по створам крайне неравномерное. Некоторые пьезометры слабо реагировали на изменение напора на протяжении всего опыта. Это могло быть связано с попаданием их в комья более плотной и тяжелой глины, вкрапления которой имелись в нижних слоях целика, или в зоны грунта, расположенные вне системы трещин и недостаточно водонасыщенные. В связи с этим при обработке и анализе результатов исследований во внимание принимались, в основном, показания пьезометров, расположенных в створе П7-П12. Неравномерность распределения пьезометрических напоров по глубине экрана, особенно в начале опыта свидетельствует о распространении фильтрационного потока по системе трещин, распределенных в массиве случайным образом. Поэтому поток в трещиноватой зоне экрана не может рассматриваться как осесимметричный и показания пьезометров, расположенных в этой зоне, характеризуют процесс с качественной стороны, так как не отражают пространственного характера потока. Фильтрационный напор проникал к нижнему слою экрана с незначительными потерями и на 80 % (в начале опыта) — 75 % (в конце опыта) гасился в его нижнем слое. Таким образом, верхние слои экрана ( 1 м) имели большую водопроницаемость в сравнении с нижним слоем (-0,5 м).

Коэффициент фильтрации в нижнем слое стабилизировался на уровне 5 × 10-9 см/с (4,3 × 10-6 м/сут) при среднем градиенте напора 3,7 через 260 ч от начала опыта и впоследствии снизился до 2,2 × 10-9 см/с (1,9 × 10-6 м/сут) при градиенте 7,5. Коэффициенты фильтрации верхних слоев целика практически на протяжении всего опыта были примерно на порядок выше, чем в нижнем слое.
Сопоставляя полученные данные с требованиями ВТУ, согласно которым для аллювиальных неогеновых глин коэффициент фильтрации должен находиться в пределах 1 × 10-5 … 1 × 10-6 м/сут и для суглинков должен быть не более 1 × 10-5 м/сут, отметим, что на исследованном участке слои грунтового экрана, располагающиеся на глубине более 1 м от его поверхности, соответствуют требованиям ВТУ. Верхний и средний слои, отсыпанные из глин и суглинков, имеют коэффициенты фильтрации большие, чем это требуется по ВТУ.

Со временем коэффициенты фильтрации грунтов имеют тенденцию к снижению. Это может быть связано с процессами уплотнения нижних слоев грунта под нагрузкой, а также с постепенным снижением проницаемости трещиноватых грунтов за счет набухания и оплывания стенок трещин. Подтверждением этому могут служить результаты определения физических характеристик грунтов, полученные по образцам, отобранным после завершения опыта. В частности, сопоставление плотности грунтов в исходном состоянии (монолиты, отобранные при проходке кольцевой траншеи) с плотностью, которую они имели после завершения опыта (монолиты, отобранные из целика), показывает, что верхний и средний слои экрана подверглись набуханию. Так, плотность сухого грунта верхнего слоя уменьшилась с 1,6 до 1,5 г/см3, плотность сухого грунта слоя в средней част целика — с 1,74 до 1,71 г/см3. В то же время плотность грунтов нижнего слоя возросла с 1,63 до 1,66 г/см3.

Визуальное обследование состояния грунта по стенкам кольцевой траншеи, проведенное после откачки воды из нее, показало, что наиболее крупные трещины в грунте не закрылись. При этом имели место вывалы грунта из стенки траншеи в среднем трещиноватом слое. Таким образом, выполненные полевые фильтрационные исследования экрана верхнего водоема Днестровской ГАЭС показывают, что верхние слои экрана подверглись значительному деструктивному воздействию, которое проявилось в появлении трещин в грунтах. Фильтрационные напоры проникают к нижним слоям экрана с незначительными потерями. Требованиям ВТУ по водопроницаемости соответствует только нижний слой из неогеновых глин, залегающий на глубине, превышающей 1 м от поверхности экрана.

Тем не менее, следует отметить, что этот метод позволил исследовать водопроницаемость необводненного грунта. Кроме этого при проведении испытаний было выполнено требование по созданию вертикального вектора движения воды. Применяемая в конструкции пьезометрическая шахта с трубками-пьезометрами позволила оценить процессы движения воды по образцу на всю его высоту. Важным достоинством выполненного опыта является его масштабность.
Однако к недостаткам этого метода следует отнести большую трудоемкость, длительность проведения эксперимента, потребность в наличии дополнительного оборудования для создания вакуума и напора в установке, проведение опыта при положительных температурах. При заготовке целика происходит снятие внутренних напряжений, приводящее к трещинообразованию, а так же возможность образования контактной фильтрации в установке.

3. Определение коэффициента фильтрации грунтов экрана наливом воды в кольца.

Водопроницаемость опытных насыпей выполнялась методом налива воды в шурфы (метод Нестерова) с использованием двух кольцевых инфильтромеров. Схема 2-х кольцевого инфильтромера представлена на рис. 3.
Инфильтромеры имели одинаковую конструкцию и состояли из следующих основных деталей: наружного кольца 1, внутреннего кольца 2, сосуда для контроля количества испарившейся воды 3, системы подачи воды, состоящей из трѐх сосудов Мариотта 5. Наружное и внутреннее кольца закрыты колпаком 4, который не допускает попадания атмосферной влаги во внутрь инфильтромеров. Последние имели следующие размеры основных деталей: диаметр наружного кольца 60 см; диаметр внутреннего кольца 26 см; высота наружного кольца 50 см, внутреннего 46 см. Наружное и внутренние кольца инфильтромеров устанавливались на подготовленную поверхность насыпи и вдавливались в грунт на глубину 3÷5 см. Поверхность исследуемого грунта внутри колец покрывалась слоем песчано-гравийного грунта толщиной 2 см. В кольца наливалась вода, уровень которой поддерживался постоянным и одинаковым в обоих кольцах с помощью сосудов Мариотта. При этом сосуд, подающий воду во внутреннее кольцо, был оттарирован и имел деления для контроля объѐма доливаемой воды. Контроль уровня воды в инфильтромере осуществлялся электроконтактным способом посредством пар электродов, установленных на одинаковой отметке в кольцах и в сосуде.


Рис. 3. Схема двухкольцевого инфильтромера для полевых исследований водопроницаемости насыпей из глинистых грунтов. 1 — наружное кольцо; 2 — внутреннее кольцо; 3 — сосуд для контроля испарения воды с поверхности; 4 — колпак; 5- мерные сосуды с трубками подачи воды; 6- подушка из гравия или песка; 7- грунт тела насыпи.
Объѐм воды, профильтровавшийся через внутреннее кольцо, подсчитывается по формуле: , где Q — объѐм воды, поступивший во внутреннее кольцо, м3; Qи — объѐм воды, испарившейся из мерного сосуда, м3; F и f – площади внутреннего кольца и сосуда, соответственно, м2. Скорость инфильтрации воды в тело насыпи определяется по зависимости: , где T – промежуток времени между замерами, сут. Расчѐт коэффициента фильтрации производится по формуле [6]:
, (1) где Кф — коэффициент фильтрации, м/сут; Н – высота столба воды в кольце, м; h – глубина просачивания воды в тело насыпи, м; Нк – капиллярное давление, м. Глубина просачивания h определялась отбором проб на влажность из шурфов, проходимых сразу после осушения инфильтромеров в местах их установки. Капиллярное давление Нк принималось равным 2 м. Наблюдения за режимом фильтрации проводились на протяжении 27-ми суток на насыпи из смешанных грунтов, 28-ми суток – на насыпи из тяжѐлых глин и 26,5 суток на насыпи из лѐгких глин. Полученные в ходе выполнения полевых исследований данные приведены в таблице 1. Глубина просачивания воды (h) в теле насыпей определена в результате отбора проб на влажность из контрольных шурфов и шурфов, пройденных в месте установки центральных колец инфильтромеров.

Таблица 1
Данные полевых исследований водопроницаемости грунтов опытных насыпей

В результате этих исследований установлено, что коэффициенты фильтрации исследуемых грунтов имеют значения от 1,4 × 10-5 до  1 × 10-4 м/сут [11]. Однако надо учитывать, что водопроницаемость глины в этом случае определяется в условиях свободного набухания (без пригрузки) и основным действующим фактором, влияющим на водопроницаемость, является давление всасывания (F), а не капиллярное давление (Нк), имеющее место в не набухающих грунтах. Исходя из этого положения, расчѐт коэффициента фильтрации должен производиться по формуле:, (2) где обозначения те же, что в формуле (1). Давление всасывания для набухающих глин изменяется в очень широких пределах в зависимости от влажности. Эту зависимость обычно изображают в виде pF= ƒ(W), где: pF – десятичный логарифм давления всасывания в сантиметрах водяного столба, т.е. при F = 10 см вод. ст. pF = 1, а при F = 1000 см. вод. ст. (≈ 1 атм.) pF = 3. На рис. 4 приведѐн график зависимости pF от влажности грунта W для набухающих глинистых грунтов данным по Крони [1]. Согласно этому графику при изменении влажности грунта (W) от 0,25 до 0,35, что имело место при его свободном набухании в процессе проведения фильтрационных исследований на опытной насыпи, pF изменяется от 4 до 3, т.е. от 10 000 см вод. ст. до 1 000 см вод. ст. или от 100 м вод. ст. до 10 м вод. ст., т.е. среднее значение давления всасывания (F) составляет 55 м вод. ст.

Рис. 4. Зависимость между pF и влажностью грунта W по Крони. 1 – при высушивании грунта с естественной влажностью; 2 – при увлажнении грунта, высушенного в термостате.
Если давление всасывания F принять равным 10 м вод. ст., что соответствует влажности грунта W =0,35, установившейся в результате его набухания, то получим значения коэффициента фильтрации, отмеченные в вышеприведѐнной таблице звѐздочкой (Кф*). Эти значения на порядок больше значений, характеризующих грунт в начальном состоянии, т.е. следует считать реальным и достаточно обоснованным увеличение коэффициента фильтрации глины в зоне разуплотнения при свободном набухании [12].

4. Определение коэффициента фильтрации грунтов экрана наливом воды в шурф

Налив воды в шурф произведен при оценке водопроницаемости аллювиально-делювиальных суглинков в опытной насыпи [6]. Для этого в теле опытной насыпи, размещѐнной на экране из глинистых грунтов, был устроен наливной шурф квадратной формы в плане с размером стороны 1,0 м с 4 наблюдательными шурфами по каждой его стороне. Схема проведения опыта приведена на рис. 5.
Расчѐт коэффициента фильтрации производился, исходя из предположения, что вода из шурфа двигается в горизонтальном направлении:
, (3) где Q — замеренный расход воды из шурфа; ; R=0,5(a+b); .

В результате проведѐнного эксперимента получен коэффициент фильтрации Кф = 3,6 × 10-4 м/сут. Полученное значение Кф для грунта опытной насыпи следует считать завышенным по следующим причинам:
1. Движение воды, фильтрующейся из шурфа в грунт, происходило как в горизонтальном, так и в вертикальном направлениях, т.к. экран из глинистых грунтов и бетон, подстилающий глинистый грунт не являются водоупором.
2. Значительный объѐм воды уходил на водонасыщение нижележащего грунта и бетона.
3. Близкое расположение наблюдательных шурфов к наливному шурфу (0,17÷0,24 м) изменило естественное состояние грунта в оставшихся между шурфами целиках.


Рис. 5. Схема проведения налива воды в шурф на опытной насыпи суглинков. 1 – тело опытной насыпи; 2 – наливной шурф; 3 – наблюдательные шурфы; 4 – экран из глинистых грунтов; 5 – бетонное покрытие неогеновых известняков.

5. Определение коэффициента фильтрации грунтов наливом воды в скважины.

Наливом воды в скважины определялся коэффициент фильтрации грунтов при оценке состояния и качества отсыпки экрана [4], а также после его замачивания [6]. Во всех опытах коэффициент фильтрации (Кф) определялся по формуле, предложенной Добровольским для несовершенного поглощающего колодца в обводнѐнной грунтовой толще. Схема несовершенного поглощающего колодца дана на рис. 6. Формула расчета [8] приводится ниже:, (4) где Q- расход воды, профильтровавшийся через стенки скважин, , где V- объѐм воды, поглощѐнной скважиной за время t, сут; h0 -высота столба воды, налитой в скважину, м; Н – превышение уровня грунтовых вод над забоем скважины, м; r – радиус скважины, м; R – радиус действия скважины (радиус влияния), который определяется в зависимости от значения удельного понижения; , здесь S выражается в м., Q – в литрах в секунду [8]. Cоотношение удельного водопонижения (Sуд) и радиуса влияния шурфа (скважины) (R) приведено в таблице 2.

Таблица 2


Рис. 6. Схема несовершенного поглощающего колодца при определении коэффициента фильтрации грунта по формуле Добровольского.
При проведении опытов в необводнѐнных глинистых грунтах экрана было принято h = h0 = H, и R, равное 5 м, а при Q < 0,0005 л/мин, R = 2 м. С учѐтом принятых допущений формула Добровольского [2, 5] по определению коэффициента фильтрации грунта принимает вид:
, (5) Дополнительная оценка (Кф) по результатам выполненных наливов в опытной насыпи из суглинков определялась по методу Гипроводхоза [5, 8].
В результате выполненных исследований было установлено, что при укладке глинистых грунтов в экран в соответствии с техническим условиями, коэффициент фильтрации соответствует проектным значениям Кф = (1 × 10-5 м/сут). На опытных насыпях этим же методом были получены значения коэффициента фильтрации грунтов практически на порядок выше [6]. Кф = (1,5 ÷ 3,0) × 10-4 м/сут, причѐм водопроницаемость насыпи до и после замочки охарактеризована одними и теми же значениями.

Следует отметить достаточную оперативность метода налива в скважины при полевых исследованиях коэффициента фильтрации (Кф) грунтов экрана. Однако применение этого метода для необводнѐнной грунтовой толщи даѐт существенные погрешности в сторону завышения Кф из-за потерь воды на впитывание в грунт.

Выводы

1. При возведении глинистого экрана верхнего водоема Днестровской ГАЭС проведен комплекс опытно-производственных исследований его водопроницаемости, включающий принципиально различные полевые методы определения величины коэффициента фильтрации Кф. Постановка и объем выполненных исследований достаточны для достоверной оценки водопроницаемости экрана по Кф.
2. Из всех выполненных полевых опытов наиболее достоверное значение коэффициента фильтрации глинистого экрана получено методом его нагружения опытной насыпью с измерением порового давления воды и последующим расчетом фильтрационной консолидации в теле экрана. Результат определения коэффициента фильтрации этим методом хорошо корреспондируется с результатами лабораторных испытаний образцов грунта, отобранных из тела.
3. Учитывая, что в опытно-производственных исследованиях водопроницаемости экрана использовались одни и те же полевые методы определения его коэффициента фильтрации до и после заливки испытуемой опытной насыпи и ими получены практически одинаковые результаты, можно считать, что водопроницаемость экрана отвечает требованиям Академии Наук Украины Кф = 10-5 см/сек.
4. Для оперативной оценки величины коэффициента фильтрации экрана может быть использован метод наливов воды в скважины. При этом следует учитывать, что применение этого метода для необводненной грунтовой толщи дает существенные погрешности в сторону завышения коэффициента фильтрации из-за потерь воды на впитывание в грунт.
5. Для выявления реальных значений коэффициента фильтрации грунтов экрана по результатам наливов воды в скважины рекомендуется в рамках геотехнического мониторинга при эксплуатации экрана выполнить крупномасштабные лабораторные исследования грунтов в лотках с установлением корреляционной связи между результатами приближенного определения Кф наливом воды в скважины и результатами его точного определения в условиях установившейся фильтрации воды в лотках.

Литература.

1. Гольдштейн М. Н. Механические свойства грунтов (Основные компоненты грунта и их взаимодействие). Стройиздат, М., 1973.
2. Инженерно-геологические изыскания. Справочное пособие. «Недра», М., 1989.
3. Осадчук В. А., Хомяк Р. В. Некоторые аспекты устройства экрана верхнего водоѐма Днестровской ГАЭС// Гидротехническое строительство № 6, 2004.
4. Отчѐт об инженерно-геологических работах. РД. Верхний водоѐм (Днестровской ГАЭС). Оценка современного состояния и качества отсыпки экрана на участке от ПК 1 до ПК 4. 732-3-Т206. ОАО «Укргидропроект», Харьков, 2003.
5. Отчѐт о выполненных работах. (732-3-Т 329). Оценка водопроницаемости грунтов в насыпи после замачивания. ОАО «Укргидропроект», Харьков, 2008.
6. Оценка водопроницаемости грунтов в опытной насыпи из суглинков участка 3 у с. Волошково полевыми методами. Укргидропроек, Харьков, 2007. 20
7. Руководство по контролю качества возведения плотин из грунтовых материалов: П 42-75. ВНИИГ, Л., 1976.
8. Скабалланович И.А. Гидрогеологические расчѐты. Углетехиздат, М., 1954.
9. СНиП 2.06.05-84. Плотины из грунтовых материалов/Госстрой СССР – М.: ЦИТП Госстроя СССР, 1985.
10. Техническая информация по научно-исследовательской работе «Исследование фильтрационных свойств неогеновых и сарматских глин, используемых для устройства экрана в основании верхнего бассейна Днестровской ГАЭС» Договор №3. «Полевые исследования водопроницаемости экрана, отсыпаемого из неогеновых глин на участках дна верхнего бассейна ГАЭС 1-й очереди». Лаборатория крупномасштабных гидравлических и геотехнических исследований, Днепродзержинск, 2002.
11. Техническая информация по НИР: «Проведение полевых и лабораторных исследований грунтов опытной насыпи из суглинков полезной выемки 2-й очереди верхнего водоѐма Днестровской ГАЭС». Полевые исследования характеристик водопроницаемости грунтов опытных насыпей из глин участка 2 «б» полезной выемки верхнего водоѐма Днестровской ГАЭС». Этап 5. Минтопэнерго Украины, ЛКГГИ, Днепродзержинск, 2006.
12. Техническая информация по теме: «Научно-методическое руководство полевыми работами по укладке экрана верхнего водоѐма Днестровской ГАЭС в 2007 году. (Дог. №16/82-06 от 09.01.2007 г.). ОАО «НИИЭС», М., 2007.c